Nano-tecnologie: dalle Scienze Fisiche a campi interdisciplinari

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1 Nano-tecnologie: dalle Scienze Fisiche a campi interdisciplinari Dario Pisignano Dipartimento di Fisica Università di Pisa CNR-Istituto NEST dario.pisignano@unipi.it Pisa

2 Rivoluzione industriale 200 anni Atterraggio sulla Luna anni World Wide Web anni Source: Department of Energy, United States (2006) Genoma umano 2003

3 La miniaturizzazione ha cambiato il modo di vivere, giocare, lavorare: l esempio dei microprocessori Power Mac G4 CC BY-SA 2.0, w/index.php?curid= Apple Musée Bolo, EPFL photo by Rama, Wikipedia Copyright: Steve Jurvetson. Licence CC-BY transistor/chip

4 La miniaturizzazione: l esempio dei microprocessori La vera legge di Moore: diminuzione delle dimensioni dei gate dei transistors 10 Immersione, alta N.A. Densità transistors (10 6 /mm 2 ) Litografie multiple, feedback ctrl, ottimizzazione sorgenti-maschere 100 International Technology Roadmap for Semiconductors, 2011

5 Litografia, microlitografia, nanolitografia By Chris73, Wikipedia. Licence CC-BY-SA-3.0 //commons.wikimedia.org/wiki/file:litography_negative_stone_and_positive_paper.jpg By Chris73, Wikipedia. Licence CC-BY-SA-3.0 /commons.wikimedia.org/wiki/file:litograp hy_press_with_map_of_moosburg_02.jpg

6 L esempio della fotolitografia: interazione tra fotoni e molecole organiche h h

7 Vantaggi e svantaggi: necessità di micro- e nanotecnologie soft Vantaggi: - Tecnologie ben ottimizzate, parallele, veloci (< 1h) - Tecnologie che operano su larga area Svantaggi: - Limite fisico alla risoluzione: R = k / N.A (Rayleigh). - Necessità di geometrie 2D e planari assenza di versatilità architetturale - Alta energia del fascio incidente (UV, EUV, e - ecc.) assenza di versatilità chimica

8 Electrospinning Syringe pump (constant flow rate) High voltage (up to 50 kv) V Electrode E Jet L. Persano et al., Macromolecul. Mater. Engineer. 5, (2013) A. Camposeo et al., Macromolecul. Mater. Engineer. 5, (2013) D. Pisignano, Polymer Nanofibers, RSCPublishing (2013) L. Persano et al., Prog. Polym. Sci. 43, (2015) Collector

9 Electrospinning: come si forma una nanostruttura N beads Interazione Coulombiana M. Lauricella, et al., EPL 119, (2017) Interazione viscoelastica tra le beads (Maxwell, : richiamo di i verso le particelle adiacenti) Tensione superficiale a ui : raggio del getto nella sezione tra le particella i+1 ed i Coefficiente di tensione superficiale distanza tra le particella i+1 ed i D. Reneker, et al., J. Appl. Phys. 87, Raggio di curvatura particella i-esima (2000)

10 Risoluzione ( delle fibre: 2 nm 100 m) Alta produttività Dimensionalità scalabile: 1D, 2D, 3D Flessibilità in termini di molecole impiegabili Nano-tecnologie + soft matter = versatilità scientifica (esempi: Nanofotonica, Energia, Biomedicale)

11 1. Nanofotonica: semiconduttori organici F. Di Benedetto, et al., Nature Nanotechnol. 3, 614 (2008) A. Camposeo et al., Nano Lett. 13, (2013) A. Camposeo et al., Macromolecules 47, (2014)

12 1. Nanofotonica: laser A. Camposeo et al. Small 5, 562 (2009). G. Morello et al, ACS Applied Mater. & Interfaces 7, (2015). L. Persano et al., Adv. Materials 26, (2014).

13 1. Nanofotonica: emissione polarizzata Sistema disordinato (soluzione, film) V Jet Stretching delle catene molecolari Sistema ordinato (nanofibra) S. Pagliara et al., Lab Chip 9, 2851 (2009)

14 1. Nanofotonica: tecnologie quantistiche Guide d onda subwavelength I = I 0 exp( d ) cm -1 Single photon emitter n: numero di fotoni rilevati SPS: g 2 (0) = 0 V. Fasano, et al., Macromolecules 46, (2013) M. Gaio, et al., ACS Nano 10, (2016). In collaboration with R. Sapienza Imperial College, London

15 2. Nanoelettronica: energy harvesting d ij =( D i / j ) E L. Persano et al., Nature Communications 4, 1633 (2013). Adv. Mater. 26, (2015). Adv. Mater. 28, (2016)

16 2. Nanoelettronica: energy harvesting L. Persano et al., Nature Communications 4, 1633 (2013) L. Persano et al., Adv. Mater. 26, (2015) L. Persano et al., Adv. Mater. 28, (2016) In collaborazione con J. A. Rogers Northwestern, and L. De Braunschweig

17 2. Nanoelettronica: transistor flessibili Nanofibre di carbonio A. Manuelli, et al., Org. Electronics 15, (2014). F. Lezzi et al., Nano Lett. 15, (2015).

18 3. Biomedicale: Fiber-based ingegneria Tissue tissutale Engineering e nanomedicina rigenerativa A. Polini et al., PLoS ONE 6, e26211 (2011) M. Moffa et al., Soft Matter 9, 5529 (2013) 300µm In collaboration with S. Scaglione and R. Quarto CNR and University of Genoa

19 3. Biomedicale: ingegneria tissutale e nanomedicina rigenerativa + hmscs Mezzo basale Mezzo osteogenico A. Polini et al., Soft Matter 6, 1668 (2010); PLoS ONE 6, e26211 (2011). M. Moffa et al., Soft Matter 9, 5529 (2013) A. Sciancalepore et al., Biomater. 94, 57 (2016) Copyright: Marcus Durrant. Licence CC-BY-SA oprotein_model.png

20 What s next: Sistemi microscopici adattativi, intelligenti Materiali auto-riparanti Riprogrammazione cellulare, fisica del cancro